白新華

(呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 離石 033001)

能源是社會文明進(jìn)步的基礎(chǔ)和動力源泉，煤炭資源仍然是我國的主要能源，在長久一段時期仍將占主導(dǎo)地位。煤炭能源智能、安全、高效開發(fā)與低碳清潔利用是實(shí)現(xiàn)我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。近年來，隨著信息化、工業(yè)化技術(shù)的快速發(fā)展，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的的物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在采礦領(lǐng)域中獲得了長足的應(yīng)用和發(fā)展；推動了煤炭產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，煤礦井下智能5G工作面，智能化無人工作面等先進(jìn)技術(shù)在煤礦開采工程領(lǐng)域逐步得到推廣和應(yīng)用。在煤炭生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)中，綜采工作面是所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)中關(guān)鍵，對上承接災(zāi)害治理、工作面準(zhǔn)備等上游環(huán)節(jié)，其本身承載煤炭采落和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，對下銜接采空區(qū)、礦井后期管理等環(huán)節(jié)。綜采工作面生產(chǎn)中存在采煤機(jī)、液壓支架及刮板輸送機(jī)三種主要采煤機(jī)械，即通常綜采工作面“三機(jī)”配套、銜接、運(yùn)行是保證煤礦綠色、安全和高效發(fā)展的重要因素之一。王國法等從政策層面上對智能工作面規(guī)劃做出了頂層設(shè)計(jì)，張建國等從綜采工作面智能化應(yīng)用層面上作出了有益地探索，廣大科研工作者在一定程度上為智能化綜采工作面發(fā)展提供了理論支撐和技術(shù)支持[1-7]，也是響應(yīng)“自動化減人，智能化無人，少人則安，無人則安”生產(chǎn)理念，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)提供了有力保證[8-11]。為此，本文基于典型綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架，“三機(jī)”配套、銜接和運(yùn)行，進(jìn)行智能化應(yīng)用，希望對智能化綜采工作面建設(shè)進(jìn)行有益地嘗試。

表1 工作面回采參數(shù)

1 試驗(yàn)工作面概況

試驗(yàn)礦井位于山西省西部呂梁煤炭區(qū)內(nèi)，高瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為8.94 m3/min，相對涌出量為4.72 m3/t，瓦斯含量小、瓦斯壓力低，井田內(nèi)主采煤層煤塵有爆炸性和無自然發(fā)火傾向性；水文地質(zhì)條件簡單，試驗(yàn)工作面開采+830 m水平，工作面地表+1 085～+1 155 m，平均埋深300 m，無沖擊地壓傾向性。試驗(yàn)工作面采用走向長壁式采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，較好的瓦斯地質(zhì)條件為礦井綜采工作面提供了條件，綜采工作面基本情況如表1所示。

圖1 綜采工作面煤層柱狀圖

試驗(yàn)工作面主采5#煤層，位于山西組下部，條痕為黑色，玻璃光澤，硬度為1.2，有一定韌性，參差狀、階梯狀斷口。工作面范圍內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，局部含有夾矸，夾矸總厚度為0.25 m，煤層厚度較穩(wěn)定，平均厚度3.3 m；由試驗(yàn)工作面巷道掘進(jìn)期間揭露的地質(zhì)情況推測可知，該工作面整體為一東高西低的單斜構(gòu)造，煤層產(chǎn)狀變化較小，斷層較少，推測無陷落柱，無沖刷、風(fēng)氧化等現(xiàn)象，不受巖漿巖等影響，工作面地質(zhì)構(gòu)造條件簡單。試驗(yàn)工作面頂?shù)装迩闆r，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚6.8 m左右，灰色砂巖長石分化成褐色斑點(diǎn)；老頂為中粒砂巖，厚3.6 m，深灰色砂質(zhì)泥巖含大量的根化石；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚2.6 m，灰色砂質(zhì)泥巖，含大量粘土質(zhì)和根化石；老底為灰褐色細(xì)砂巖，厚2.8 m；6#煤層不穩(wěn)定，局部出現(xiàn)在煤層底部，如圖1所示。

2 綜采工作面三機(jī)配套

表2 綜采工作面設(shè)備

圖3 采煤工作面慣導(dǎo)測量系統(tǒng)

綜采工作面三機(jī)裝備配套大系統(tǒng)方面要遵循一定的原則來實(shí)現(xiàn)相互配合、協(xié)同，主要包括系統(tǒng)生產(chǎn)能力、工作性能、幾何尺寸、系統(tǒng)壽命等方面的配套要求，主要內(nèi)容由采煤機(jī)破落煤能力要大于工作面的設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)能力，即要求采煤機(jī)能力有富余；同樣刮板輸送機(jī)能力要有富余，以免破落的煤炭堆積，即能運(yùn)得出。兩兩之間的子系統(tǒng)同樣需要相互配合，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)子系統(tǒng)：刮板輸送機(jī)中部運(yùn)輸槽要與采煤機(jī)底托架、滑靴等結(jié)構(gòu)配套，輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾結(jié)構(gòu)應(yīng)保證采煤機(jī)割透、處理好機(jī)頭機(jī)尾特殊區(qū)域的三角煤。刮板輸送機(jī)與液壓支架子系統(tǒng)：液壓支架每節(jié)溜槽的長度應(yīng)等于液壓支架中心距。采煤機(jī)與液壓支架子系統(tǒng)：采煤機(jī)的最大采高應(yīng)小于液壓支架的最大支撐高度，采煤機(jī)的牽引速度應(yīng)小于液壓支架的移架速度；截深應(yīng)小于液壓支架的移架步距。“三機(jī)”相互配合、相互制約、相互協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)性能。依據(jù)基本原則進(jìn)行設(shè)備的選型配套，試驗(yàn)工作面設(shè)備如表2所示，整體系統(tǒng)連接如圖2所示。

支架電液控控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包含控制器、驅(qū)動器、電源、耦合器、紅外接收器等控制；視頻和支架姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜采工作面視頻和關(guān)鍵設(shè)備的視頻監(jiān)控；井下集控中心實(shí)現(xiàn)綜采工作面各設(shè)備的控制與信號傳輸，與地面集控中心進(jìn)行連接，承上啟下；web端和手機(jī)終端App智能礦山軟件實(shí)現(xiàn)可視化、遠(yuǎn)程信息快速、便捷獲取。

3 綜采工作面三機(jī)智能化

3.1 采煤機(jī)智能化

將航天慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于采煤機(jī)上，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)傳輸至集控中心，經(jīng)中央處理器換算為綜采設(shè)備能識別的動作指令，實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)推溜、拉移支架及一鍵啟停功能，使“三直一平”管理精度大幅度提高?；谪瀸?dǎo)系統(tǒng)[12]、搖臂傾角傳感器、搖臂震動傳感器和采煤機(jī)電控參數(shù)所確定的采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的記憶截齒割煤[13-14]，并通過瓦斯?jié)舛?、采煤機(jī)負(fù)載、運(yùn)輸系統(tǒng)負(fù)載等環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，自行適應(yīng)調(diào)整采煤機(jī)的運(yùn)行、割煤速度，如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)智能割煤示意

采煤機(jī)割煤過程采用記憶截割為主，人工干預(yù)為輔的模式，采煤機(jī)運(yùn)行過程中特殊工況下需要進(jìn)行適度人工干預(yù)和調(diào)節(jié)，取代了以往全程對采煤機(jī)盯防、旁站式的工作方式，減輕了采煤機(jī)司機(jī)等人員的工作強(qiáng)度。

3.2 液壓支架智能化

圖5 智能液壓支架

新型智能化液壓支架配套了多種感應(yīng)探頭，包括不限于監(jiān)測頂板壓力、護(hù)幫推力、推移刮板輸送機(jī)推力等參數(shù)的位移傳感器、壓力傳感器和各種紅外接收器，如圖5所示。

液壓支架配備推移專用雙速控制閥，當(dāng)支架完成自動移架后，使用推移雙速控制閥慢速推移千斤頂，消除銷孔間隙，使推移千斤頂與刮板輸送機(jī)溜槽充分接觸，避免了移架距離不統(tǒng)一、不充分，多次支架工作后出現(xiàn)較大的推移誤差，導(dǎo)致工作面彎曲現(xiàn)象。雙速控制閥的使用消除了支撐力不一致形成的推移支架長短不一的情況，保證了工作面的平直度。根據(jù)工作面實(shí)際運(yùn)用效果推算，可以將刮板輸送機(jī)推移控制精度提高50%以上，提升到了厘米級精度。

根據(jù)液壓支架每架紅外傳感器定位采煤機(jī)位置，傳輸數(shù)據(jù)至集控中心分析，再反饋到支架控制模塊，自動跟機(jī)、移架、推溜、護(hù)幫和噴霧。

自動補(bǔ)壓升架功能根據(jù)工作面不同的地質(zhì)條件，結(jié)合綜采工作面實(shí)時動態(tài)，自動升、降液壓系統(tǒng)的壓力，實(shí)現(xiàn)支架的升降和調(diào)整，解放支架工，不再需要人工干預(yù)，技術(shù)上徹底實(shí)現(xiàn)采煤工作面少人、無人。

圖6 慣導(dǎo)推移調(diào)直模式

3.3 刮板輸送機(jī)智能化

輸送機(jī)通過聯(lián)動采煤機(jī)上安裝的探頭和感知設(shè)備，通過集控中心大數(shù)據(jù)分析、判識，判別采煤機(jī)的位置狀態(tài)，結(jié)合液壓支架的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化推移，做到推溜、拉架精確控制，實(shí)現(xiàn)采煤工作面慣導(dǎo)動作[15-16]，完成對綜采工作面的有序、高效調(diào)直，如圖6所示。

通過采煤機(jī)上安裝的位置編碼器和高精度慣性導(dǎo)裝置，生成刮板運(yùn)輸機(jī)位置曲線，通過支架定點(diǎn)無線基站接收慣導(dǎo)信號，上傳至集控中心后臺分析，集控中心根據(jù)刮板運(yùn)輸機(jī)位置曲線與支架當(dāng)前推移行程值，計(jì)算出推移頂驅(qū)下一行程，控制推移千斤頂推移工作面刮板輸送機(jī)的溜槽，使工作面刮板輸送機(jī)達(dá)到直線度要求。將回饋信號分析并聯(lián)動采面支架動作，在接下來若干次移架推溜循環(huán)中，自行調(diào)整動作幅度，電液控制系統(tǒng)通過高精度行程傳感器，實(shí)現(xiàn)推溜、拉架精確控制，完成對工作面的調(diào)直。

調(diào)直系統(tǒng)作為當(dāng)前煤炭行業(yè)領(lǐng)先的國產(chǎn)高精度慣性導(dǎo)航與工作面調(diào)直技術(shù)，相比國外LASC系統(tǒng)而言，一定程度上填補(bǔ)了刮板輸送機(jī)整體平直度難調(diào)整、難驗(yàn)收、難定量、難考察的技術(shù)空白。

3.4 三機(jī)智能化

圖7 Web端監(jiān)控系統(tǒng)界面

基于采煤機(jī)智能化、液壓支架智能化和刮板輸送機(jī)智能化的大系統(tǒng)整合，將液壓支架自動跟機(jī)移架、智能補(bǔ)壓升架、采煤機(jī)記憶割煤、刮板輸送機(jī)調(diào)直等核心功能有機(jī)集成，功能互補(bǔ)，協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)綜采工作面常規(guī)“三機(jī)配套”向“三機(jī)智能化”邁出了關(guān)鍵一步。同時數(shù)據(jù)Web端、手機(jī)移動端APP查看綜采工作面各類設(shè)備集控參數(shù)，工作人員快速、快捷實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程云平臺監(jiān)測、監(jiān)控綜采工作面設(shè)備，如圖7所示。

4 三機(jī)智能化應(yīng)用實(shí)踐與建議

在綜采工作面“三機(jī)智能化”運(yùn)行期間，顯示出了系統(tǒng)有序性、協(xié)調(diào)性和整體性。試驗(yàn)綜采工作面由原來人員26人，減員到12人；同時為試驗(yàn)綜采工作面整體配套人員130人，減員到55人，實(shí)現(xiàn)了顯著的減員提效，減員率50%以上；對應(yīng)回風(fēng)系統(tǒng)不再需要人員進(jìn)行巡檢，實(shí)現(xiàn)了特殊區(qū)域的核心安全；綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)整體系統(tǒng)和單機(jī)故障導(dǎo)致的工作面停產(chǎn)時間大幅度減少，單班開機(jī)時間穩(wěn)定在7.5～8 h左右，單班開機(jī)率達(dá)到93%以上，提高了20%左右，提升了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，同期煤炭產(chǎn)量也增產(chǎn)20%以上。

煤礦智能化建設(shè)，特別是煤礦綜采工作面智能化建設(shè)要由點(diǎn)到面、全面擴(kuò)展，推進(jìn)過程中不能操之過急，硬件和軟件應(yīng)同步推進(jìn)，特別是技術(shù)工人的素養(yǎng)提升。綜采工作面智能化需要同時完成核心災(zāi)害提前治理、設(shè)備檢修與故障處理、人員培訓(xùn)等方面的整體智能化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。由單機(jī)智能化向系統(tǒng)智能化整合發(fā)展，在控制技術(shù)方面，由手動干預(yù)、人員值守向自動控制、無人值守方向發(fā)展；在安全管理方面，由被動的事后響應(yīng)式向主動的事先預(yù)警方向發(fā)展；同步推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)的綜合實(shí)施，來實(shí)現(xiàn)人員培訓(xùn)、設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)行和維護(hù)的智能化，只有這樣綜采工作面智能化才能行穩(wěn)致遠(yuǎn)。